黄岛LPG地下储库爆破震动监测与分析

刘 永

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

0 引言

21世纪是地下工程的大发展时期，地铁、隧道、地下商场以及地下储库的建设工程层出不穷。为了满足能源储备的需要，地下LPG储库的建设开始兴起，为地下空间施工领域提出了一个崭新的课题。尤其是采用爆破法进行掘进时，震动是否会对地面建筑物产生威胁，以及如何科学地运用监测手段对工程爆破所引起的震动进行有效控制和爆破参数优化，是科研、设计工作者以及施工单位普遍关心的问题［1］。为了达到保护地表建筑物的目的，可以对每一次爆破进行实时监测，根据反馈信息控制装药量的大小;但每次都进行监测将大量增加工程建设成本。目前多采用的是爆破过程中对几次监测数据进行抽查取样，然后拟合出技术参数。最常用的方法就是根据萨道夫斯基公式，对实测数据拟合求出萨道夫斯基公式中的衰减系数K和α［2］。经实践证明，萨道夫斯基公式具有参数少、使用简单方便的特点，但某些情况下预测精度不高。

一些学者从不同方面进行研究，对萨道夫斯基公式进行修正，得到了相应的结果。朱传统等［3］和许名标等［4］认为振动速度沿高程有放大效应，因而将高程这一变量引入萨道夫斯基公式，对其进行了改进。还有一些学者继续对高程影响进行深入的探讨，并进一步对萨道夫斯基公式进行了修正［5－6］。某些情况下，一些经验公式虽然预测精度稍差，但简单、实用且行之有效，而在工程上应用的公式只有简单、实用才会受到技术人员的青睐。正如谭文辉等［7］在爆破高程效应研究中提出的观点:K、α是与爆破场地条件有关的系数，高程效应可以通过系数的变化反映出来，从而避开修正公式的繁琐工作。然而，目前的研究中针对高程对爆破震动的放大影响较多，针对角度(爆源距与掘进面水平投影夹角)对爆破震动影响的研究却较为少见。

因此，本研究以黄岛LPG地下储库爆破掘进施工为研究对象，试图通过现场爆破实测数据，分析爆源距(测点到爆源中心的直线距离)与掌子面二者水平投影夹角因素对地表最大振速的影响，来探寻衰减系数K、α的变化规律，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

黄岛LPG(液化石油气)地下储库位于青岛市黄岛经济技术开发区，是我国北方最大的LPG地下储库，总占地面积约为7.17 hm2，距青岛港液体化工专用码头仅1.6 km。工程主要建设1座容积为35万m3的液化石油气地下水封洞库和1座容积为15万m3的丙烷洞库，同时，建设3个1 000 m3的地上液化石油气球形储罐。洞库多为大断面开挖，宽为18 m，高为28 m，交通巷道断面为8 m×7 m(宽×高)。地下储库工程效果如图1所示。本工程岩体主要为中生代燕山晚期碱长花岗岩，又称白岗岩，其次为各种侵入脉岩。脉岩侵入可分早、晚2期，早期多沿白岗岩近东西向断裂侵入(NE700～SE 1 000)，呈岩墙状，分布较规律;晚期脉岩以中基性为主，分布规律差，常常穿插白岗岩和早期脉岩。早期脉岩有花岗斑岩、石英正长斑岩;晚期脉岩多为中基性，如闪长玢岩、辉绿玢岩、二长岩、球粒状正长斑岩等。

2 监测方案

2.1 监测仪器

监测仪器采用国产最先进的TC－4850型爆破测振仪(见图2)。每台测振仪有3个通道，可以连接3个传感器，监测数据利用传感器收集感应并由测振仪自动记录。传感器的正确安放是监测数据准确的保证，现场采用石膏将传感器和被测物紧密地粘接在一起，若是土质的可以采用土钉将传感器顶入，确保传感器与被测物在受到振动时同步振动。振动速度测试系统如图3所示。

图1 地下储库工程效果图Fig.1 Underground LPG storage cavern

图2 TC－4850爆破测振仪Fig.2 TC-4850 blasting vibration measuring device

图3 振动速度测试系统示意图Fig.3 Schematic diagram of blasting vibration velocity measurement system

2.2 监测方案

监测布置受地形、地貌及其他因素的限制，在地面某些构筑物出现裂缝或当地居民认为震感强烈的部位布置测点。测点可以布置在构筑物距爆破点最近的部位，也可以直接布置在裂隙处。震中区域构筑物较多或地质情况复杂时，针对重点构筑物或重点区域布置监测点，对每次爆破进行监测。

以其中一个爆破断面监测为例，分为掘进前方测点和掘进后方测点，测点布置如图4所示。其中，掘进前方地表测点分别用RL0(掘进前方水平径向测点)、RT0(掘进前方水平切向测点)、RV0(掘进前方垂向测点)表示，掘进后方地表测点分别用RL(掘进后方水平径向测点)、RT(掘进后方水平切向测点)、RV(掘进后方垂向测点)表示，β和γ分别表示地表垂向测点的爆源距(掘进前方、后方)与掌子面在水平面投影的夹角，且根据对称性只取锐角测点分析即可(文中后续涉及角β和γ意义均相同)。

图4 测点布置示意图Fig.4 Arrangement of monitoring points

3 爆破监测结果分析

质点的振动速度与爆源距以及装药量之间的关系按照萨道夫斯基公式给出，即

式中:v为质点的峰值振动速度，cm×s－1;Q为最大段装药量，kg;R为测点到爆源中心的直线距离，m;K为与爆破场地条件有关的衰减系数;α为与地质条件有关的衰减系数;为方便文中分析，将定义为比例距离，用S表示。

地下储库的巷道掘进采用全断面光面爆破施工，其中交通巷道(宽×高=8 m×7 m)循环进尺为3 m，炸药单耗量为1.02 kg/m3;水幕巷道(宽×高=6 m×6 m)循环进尺为2.5 m，炸药单耗量为1.2 kg/m3，巷道埋深为70～110 m。经实地监测，得到有效监测数据122组，其中，垂直方向有效数据62组，水平径向有效数据35组，水平切向有效数据25组。由于场地限制以及需要针对相应建筑物进行监测，测点分布规律性稍差。从角度(β和γ)因素出发进行研究，选择角度渐进变化的波垂向振动数据作为研究对象，如表1所示，其他振动方向波速研究与之类似。

表1 部分测试数据Table 1 Monitoring data

3.1 爆破震动波放大效应分析

多组文献中已经对爆破震动放大效应进行了阐述［8－10］，但多是从距离入手，未考虑装药量的因素。为了研究掌子面掘进前后爆破震动波的放大效应，本文分别以掌子面掘进前、后方相同或相近的比例距离的质点为研究对象，对其垂向振速进行回归分析，对比结果如图5所示。

图5 振速对比曲线Fig.5 Curves of vibration velocity

由萨氏公式可知，比例距离越来越小表示距离掌子面越来越远。由图5可见，距离掌子面最近时，掘进前、后方垂向振速均最大，远离时振速均逐渐减小;距掌子面较近且比例距离相同时，掘进后方质点最大垂向振速要大于掘进前方最大振速;拉大与掌子面距离，在相同比例距离的情况下，二者垂向振速基本一致。因此，在地下工程爆破掘进时，掌子面后方空洞具有放大波速的效应，越接近掌子面这种效应越明显，越远离则越不明显。为了方便可运用比例距离来对振速进行比较，同时观察表1可见，掘进后方角度γ对这种放大效应同样有影响，当比例距离相近时，掌子面后方角度γ越是接近于90°，这种放大效应就越明显，如数据编号9#与10#、17#与18#、20#与21#等等;因此，在地下工程爆破掘进施工中，这种振速放大效应一定要多加注意。

3.2 角度效应分析

为了从角度出发研究掌子面前后质点垂向振速的相关性，本文又分别对掌子面掘进前、后方各质点的垂向振速进行了回归分析。

对表1中所列质点最大垂向振速数据总体进行回归分析，得出图6，发现总体相关性较差。继续从角度因素出发进行研究，对所得实测数据进行回归分析。首先对掘进前方数据单独进行回归分析得出图7(1°≤β≤60°)，其相关系数达到 0.8 以上，相关性较好，同时得出萨道夫斯基公式衰减系数K=414.15、α=2.166 4。这是由于掘进前方振动波传输介质比较单一，运用公式进行拟合的结果比较准确。继续对掘进后方数据进行拟合，发现相关性仍然很差。根据角度的变化对掘进后方垂向振速数据进行分组，将0°≤γ≤33°时对应表1中的垂向振速分为一组，γ＞33°时对应的数据分为另一组分别进行拟合，结果如图8和图9所示。发现0～33°的拟合相关系数达到0.84，相关性较好，同时得出萨道夫斯基公式衰减系数K=259.67、α =2.076。而 33°以上数据拟合的相关系数仅达到0.45，相关性较差。这是由于掘进后方振动波传输时，在小角度情况下，传输介质以及波的传输过程相对于大角度时要单一，运用公式拟合相关性强;而大角度对应的掌子面后方硐室已经开挖成形，结构复杂，爆破时瞬间爆炸产物高速向空气中膨胀，周围空气压缩，形成压力很高的冲击波，又传入周围岩体中直至地面建筑物，波的传播过程中途径复杂。因此，相关性随着角度增加而变差，对掘进后方γ＞33°的重要建筑物进行评估时，必须要单独对待，并详细监测。

图6 总体振速变化规律曲线Fig.6 Variation rule of overall vibration velocity

图7 掘进前方振速变化规律曲线Fig.7 Variation rule of vibration velocity ahead of excavation face

由此可以看出地下工程爆破掘进时，掘进后方的最大振速存在较强的角度效应。按照分析的结果，将图7和图8中所得的衰减系数带入萨道夫斯基公式，对黄岛LPG地下储库其他位置爆破进行了震动波预测，经实践证明预测效果较好。

图8 0°≤γ≤33°时振速变化规律曲线Fig.8 Variation rule of vibration velocity when 0°≤γ≤33°

4 结论与建议

在地下工程爆破掘进时，掌子面后方空洞具有放大波速的效应，越接近掌子面这种效应越明显，越远离则越不明显。掘进后方角度γ对这种放大效应同样有影响，当比例距离相近时，掌子面后方角度γ越是接近于90°，这种放大效应就越明显。爆破时存在角度效应，即针对掘进后方拟合时，若爆源距与掌子面在水平面的投影夹角为0～33°时，监测数据相关性较强，大于33°时相关性较差。

在地下工程爆破掘进施工中，这种振速放大效应一定要多加注意。对掘进后方γ＞33°的重要建筑物进行评估时，必须要单独对待，并详细监测。由于条件的限制，本文只用有限的数据进行了分析，若数据更多，运用萨道夫斯基公式进行拟合时，得出的K、α值可指导其他位置爆破掘进预测，对爆破方案进一步优化。

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